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1、第十五章 RNA的生物合成Chapter 15 RNA Biosynthesis,2,转录（transcription）：是以DNA为模板，四种核糖核苷三磷酸(NTPs)为原料，在依赖DNA的RNA聚合酶（DNA dependent RNA polymerase,DDRP）催化下合成RNA的过程。RNA复制（RNA replication）：是以RNA为模板，四种核糖核苷三磷酸(NTPs)为原料，在依赖RNA的RNA聚合酶（RNA dependent RNA polymerase,RDRP）催化下合成RNA的过程。依赖RNA的RNA聚合酶也称为RNA复制酶（RNA replicase）。,转录
2、反应碱基配对：,第一节 转录的基本特征Section 1 Essential Characteristics of Transcription,一、转录的模板,模板链（template strand）：在转录过程中直接参与指导RNA合成的DNA链，其序列与新合成的RNA链互补，也称反义链或负链。编码链（coding strand）：在RNA合成过程中不直接参与指导RNA合成的DNA链，其序列与新合成的RNA链对应，又称有义链或正链。细胞内各类RNA，包括mRNA、rRNA、tRNA及ncRNA（non-coding RNA,非编码RNA）等，都是以双链DNA分子中的一条链作为模板。,转录单位（
3、transcrption unit）：RNA链的合成起始于DNA模板上一个特定位点，并在另一位点处终止，此转录区域称为转录单位。启动子（promoter）：是调控转录起始的多个功能区域的序列。终止子（terminator）：是控制转录终止的特定序列。,二、RNA聚合酶,RNA聚合酶（RNA polymerase）：是催化以DNA为模板、NTPs为底物、通过磷酸二酯键合成RNA的酶，也称依赖DNA的RNA聚合酶（DNA dependent RNA polymerase,DDRP），简称RNA Pol。,1.原核生物RNA聚合酶,核心酶(core enzyme)：2 全酶(holoenzyme)：
4、2,10,大肠杆菌RNA聚合酶各亚基的性质与功能,利福霉素（rifamycin）可强烈抑制细菌RNA聚合酶活性；利福平(rifampicin)是一种半合成的利福霉素B的衍生物，是结构杆菌的特效药。,Rifamycin B,Rifampicin,2.真核生物RNA聚合酶,在线粒体和叶绿体中，存在独特的核基因编码的RNA聚合酶，它们分子量小，活性也较低，在胞质中合成，负责线粒体和叶绿体内一些基因的转录。,Prokaryotic RNA polymerase,Eukaryotic RNA polymerase,14,三、启动子,启动子（promoter）：位于转录单位5端上游的一段DNA序列，可被R
5、NA聚合酶识别并结合，以启动基因转录，又称启动基因。转录因子（transcription factor,TF）：是指参与协助RNA聚合酶进行转录的辅助因子（蛋白质）。,15,1.原核生物启动子,具3个功能部位：起始转录部位（+1）RNA聚合酶识别位点（-35 Box）RNA聚合酶结合位点（-10 Box）,10 Box：也称为Pribnow框，一致序列为TATAAT（或为TATPuAT），有利于转录时双链的解开。35 Box：也称Sextama框，一致序列为TTGACA，提供聚合酶结合时的识别位点，决定启动子的强度。,2.真核生物启动子,真核生物的类启动子结构特点：1.帽子位点（cap sit
6、e）：也称起始子（initiator），指转录起始位点（+1），碱基多为A，两侧多为Py。2.TATA Box：也称基本启动子（basal promoter）、Hogness框或Goldberg-Hogness框，一般位于-25bp附近，保守序列为TATA(A/T)A(A/T)，两侧富含GC对。3.CAAT框：一致的序列为GG（C/T）CAATCT，一般位于-75bp附近，功能是控制转录起始的频率。,4.增强子（enhancer）：又称为远上游序列（far upstream sequence），一般都在-100bp以上，能使与其连锁的基因转录频率明显增强，核心序列为TGG(A/T)(A/T)(
7、A/T)。,TATA Box:TATA(A/T)A(A/T)GC Box:GGGCGGCAAT Box:GG(C/T)CAATCT,第二节 原核生物的转录过程Section 2 Transcription of Procaryote,一、转录起始,1.RNA聚合酶与模板DNA的结合,2.RNA合成的起始,起始位点的嘌呤碱基与模板+1位碱基配对,因子的脱落，可加快RNA合成速度，约3050核苷酸/秒分子酶。,二、转录延长,大肠杆菌RNA聚合酶催化RNA聚合反应的起始与延伸,25,大肠杆菌trp操纵子终止位点序列（富含GC的反向重复序列形成茎环结构促进RNA从模板上脱落）,1.不依赖因子的终止,三
8、、转录终止,2.依赖 因子的终止,因子（factor）：由50kD亚基组成的六聚体，是一种ATP依赖型解链酶，可解开RNA:DNA和RNA:RNA双链。,原核生物的转录过程,第三节 真核生物的转录过程Section 3 Transcription of Eucaryote,一、转录起始,前起始复合物(preinitiation complex,PIC)：多种转录因子与RNA聚合酶在转录起点处形成的复合物。通用转录因子（general transcription factor）：直接或间接帮助RNA聚合酶结合于启动子，为转录前起始复合体装配所必需的转录因子，也称基本转录因子（basal tran
9、scription factor)。除个别的基本转录因子（如TFD）是通用的外，大多数TF都是不同RNA pol所特有的。,参与RNA pol转录的TF的功能,CTD:carboxyl-terminal domainTAF:TBP-associated factor,TF D不是一种单一蛋白质，它是由TATA结合蛋白质（TATA-binding,TBP）和810个TBP相关因子（TBP-associated factors,TAFs）共同组成的复合物。,3D structure of TBP(TATA-binding protein)bound to DNA,32,RNA pol：由12个亚基
10、组成；CTD具共有重复序列：Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser。CTD的可逆磷酸化在真核生物转录起始和延长阶段发挥重要作用：去磷酸化的CTD 转录起始复合物形成磷酸化的CTD 催化RNA链的延长转录起始其他因子：上游因子（upstream factor）：GC盒、CAAT盒等反式作用因子（trans-acting factor）：增强子可诱导因子（inducible factor）：生理或病理,Architecture of yeast RNA polymerase II,34,真核生物基因转录激活区结构,真核生物基因转录起始过程：,TFIID的组成成分TBP首先识别TAT
11、A盒或启动元件（Inr），随后TFIIA、TFIIB、TFIIF-RNA Pol、TFIIE、TFIIH等转录因子结合到启动子区域(此过程有TAF参与结合)，形成前起始复合物。,前 起 始 复合物并不能启动RNA转录，还需要在辅激活因子(coactivator)和激活因子(activator)的共同作用下才 能 正常启动转录。,二、转录延长,真核生物转录延长与原核生物大体上相似，主要差异是：转录延长过程中伴有核小体的解聚和重装配。转录与翻译不能同步进行。,39,三、转录终止,转录终止相关信号：在密码子编码区的下游，常有一组共同序列AATAAA，再远处的下游还有相当多的GT序列，也被称为修饰点。
12、终止：特异核酸酶识别并切断转录终止相关信号，并在其后加入poly(A)尾结构，断裂后的下游RNA可继续转录，但很快被RNA酶降解，转录即被终止。转录错误：10-510-4。,第四节 转录后RNA的加工Section 4,四、转录后加工,1.原核细胞转录后加工（1）rRNA前体的加工,(2)tRNA前体的加工,(3)mRNA前体的加工,原核生物mRNA一般无需加工，但少数的多顺反子需要通过核酸内切酶剪切成较小的单位后再进行翻译。,(1)加帽(Capping),2.真核细胞的转录后加工,帽子结构与功能：,2位甲基化,磷酸二酯键,7-甲基鸟苷,加帽过程先于剪切在核内完成，主要用于保护mRNA 5末端
13、不被磷酸酶和核酸酶降解。,2位甲基化,(2)加poly(A)尾巴(Polyadenylation),RNA-pN-OHnATP,多聚腺苷酸聚合酶,RNA-pN-pApApA+nPPi,Mg2+/Mn2+,多聚腺苷酸化在核内完成，可以增加mRNA的稳定性。并非所有的真核mRNA都具有poly(A)尾巴，如组蛋白、呼肠孤病毒及一些植物病毒mRNA。,(3)剪切与拼接(Splicing),外显子(exon)：外显子是指编码区的DNA序列。内含子(intron)：内含子是指非编码区DNA序列。剪接(splicing)：指切除转录初始产物中内含子并将外显子连接成一个整体的过程。,mRNA的剪接,卵清蛋白
14、基因转录与加工过程,转酯化反应(transesterification),hnRNA的剪接过程需要在至少5种U系列的snRNA及约50种蛋白组成的剪接复合体(spliceosome)中完成。,51,rRNA前体的剪切,结构特点：成簇排列，由1718S、5.8S和2628S rRNA基因组成一个转录单位彼此被间隔区分开。加工场所：核仁。,52,人rRNA前体的加工过程：,tRNA前体的剪切,真核生物 tRNA 基因在染色体上成簇排列，由 Pol 转录成4.5S的tRNA前体，经酶进行一系列剪切和修饰后获得成熟tRNA。,自我剪接(self-splicing),核酶(ribozyme)：具有催化功
15、能的RNA 称为核酶。如某些rRNA、叶绿体和线粒体基因的前体RNA。,55,剪接产物的多样性：,splicing,pre-mRNA,mature mRNA,translation,protein 1,protein 2,protein 3,(4)修饰(Modification),多数为甲基化修饰。碱基的修饰可能对前体的加工具有识别作用，但对于翻译并非必要。,products,五、RNA的复制,RNA复制酶(replicase)：指以RNA为模板指导合成RNA的聚合酶。,病毒或噬菌体吸附到宿主细胞,释放RNA至宿主细胞,在RNA复制酶的催化下，以病毒或噬菌体RNA为模板合成新RNA,利用宿主翻
16、译体系合成复制酶,第五节 反转录section 5 Reverse Transcription,反转录酶(reverse transcriptase）：以RNA为模板，四种dNTP为底物，依据碱基互补原则指导合成DNA链的酶，又称逆转录酶、反向转录酶。含有此种酶的病毒称为反转录病毒。,59,一、反转录过程,二、转录与癌变,癌基因(oncogene，onc)：病毒基因组中的一些特殊序列，进入宿主细胞后，可诱发癌症，又称病毒癌基因(virus oncogene，v-onc)。原癌基因(proto-oncogenes,pro-onc)：存在于宿主细胞基因组中的癌基因，也称细胞癌基因(cellular
17、 oncogene，c-onc)。,癌基因分类,第 六 节 复制和转录相关药物Section 6 Drugs Related to Replication and Transcription,影响DNA和/或RNA前体的药物抑制复制和/或转录过程酶系的药物直接影响模板DNA结构与功能的化合物,一、影响DNA和/或RNA前体的药物,影响复制和/或转录底物dNTPs/NTPs在细胞内的生物合成，或作为底物类似物参与复制和/或转录的过程，影响致病微生物或病变细胞的分裂增殖。,碱基类似物类：5-氟胞嘧啶、灰黄霉素、碘苷、阿昔洛韦等底物合成酶系抑制剂：磺胺类、甲氧苄啶、5-氟胞嘧啶、甲氨蝶呤等,1.磺胺
18、类药物(sulfonamides)、甲氧苄啶(trimethoprim，TMP)和甲氨蝶呤(methotrexate，MTX),磺胺类药物,TMPMTX,2.氟胞嘧啶(flucytosine),哺乳动物无法将氟胞嘧啶转变为氟尿嘧啶,胸腺嘧啶核苷合成酶,67,灰黄霉素(griseofulvin)：鸟嘌呤类似物，竞争性抑制鸟嘌呤进入复制过程，抑制真菌DNA的生物合成。,3.碱基类似物,碘苷(idoxuridine，IDUR)：碘化胸苷嘧啶衍生物，可取代病毒DNA前体胸腺嘧啶掺入新合成的子代病毒DNA分子，干扰病毒DNA的复制，有毒性反应。,二、抑制复制和/或转录过程酶系的药物,通过抑制复制和/或转
19、录过程必需的酶，阻断复制和/或转录过程，控制致病微生物或病变细胞的增殖。,喹诺酮类、磷甲酸盐、齐多夫定、利福平类、喜树碱、鬼臼毒素等,1.喹诺酮类(quinolones),G细菌拓扑异构酶IV,2.磷甲酸盐(foscarnet，PFA，Phosphonoformate),磷甲酸盐对病毒DNA聚合酶更具选择性，而对人体细胞毒性小。,3.齐多夫定(3-azido-3-deoxythymidine，Zidovudine，ZDV，AZT),1987年获准的第一个治疗艾滋病的药物，属核苷类似物，为逆转录酶抑制剂。,可模拟天然的二脱氧核苷底物，进入细胞后，经过磷酸化，成为三磷酸盐，竞争性抑制RNA逆转录酶
20、的活性，作用于HIV病毒复制的早期。,三、直接影响模板DNA结构与功能的化合物,直接作用于DNA模板，改变DNA双螺旋结构，阻碍复制和/或转录过程。,烷化剂：氮芥、环磷酰胺、塞替派、白消安、卡莫司汀等铂类配合物：顺铂、卡铂等抗生素类：丝裂霉素、博莱霉素、放线菌素D、阿霉素、柔红霉素等,1.烷化剂类,烷化DNA或RNA中亲核基团，形成交叉联结或引起脱嘌呤，使DNA链断裂，或使复制错配，造成DNA结构和功能的损伤，严重时可致细胞死亡，属于细胞周期非特异性药物。,常用烷化剂可以分四类：氮芥类：氮芥、环磷酰胺 乙撑亚胺类：塞替派 亚硝脲类：卡莫司汀 甲烷磺酸酯类：白消安,2.铂类配合物,二价铂同一个氯
21、原子和两个氨基结合成的金属配合物，进入体内后，先将所含氯解离，然后使DNA链上的碱基形成交叉联结，从而破坏DNA的结构和功能，属细胞周期非特异性药物。,常用铂类配合物包括顺铂(cisplatin，顺氯胺铂)、卡铂(carboplatin，碳铂，CBP)两种。,3.抗生素类,有些抗生素类似烷化剂(如丝裂霉素)，具有烷化作用；有的可以产生氧自由基(如博莱霉素)，使DNA链断裂；有的可以嵌入DNA碱基片层之间(如放线菌素D、多柔米星)，改变DNA结构。,本章小结：遗传信息传递的中心法则。DNA复制：DNA复制的特点，参与复制的酶、蛋白及相应功能，原核生物与真核生物复制的差异(端粒)。DNA的损伤与修复：损伤原因及修复系统，修复系统缺陷相关疾病。DNA突变：突变因素、分类、突变的后果，SNP。,转录与逆转录：RNA聚合酶、RNA复制酶、反转录酶，启动子的结构，增强子，转录过程，转录后加工，癌基因，原癌基因，癌基因家族。药物与核酸代谢：碱基类似物类、底物合成酶系抑制剂 喹诺酮类、齐多夫定、利福平类 烷化剂类、铂类、抗生素类,
